Cắt phôi: Quy trình cắt kim loại tấm chính xác trong chế tạo thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Cắt phôi là một quá trình tạo hình kim loại bao gồm cắt một phôi phẳng để tạo ra hình dạng hoặc đường viền được xác định trước bằng cơ chế khuôn và đột. Quá trình này tách hình dạng mong muốn (phôi) khỏi vật liệu xung quanh (phế liệu) thông qua lực cắt được áp dụng vuông góc với bề mặt vật liệu. Cắt phôi là một trong những hoạt động cắt kim loại tấm cơ bản trong sản xuất.

Quá trình này đóng vai trò là bước đầu tiên quan trọng trong nhiều chuỗi chế tạo kim loại, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp đòi hỏi sản xuất khối lượng lớn các thành phần kim loại chính xác. Chất lượng của bộ phận phôi ảnh hưởng trực tiếp đến các quy trình hạ nguồn như tạo hình, kéo và lắp ráp.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, quá trình dập chiếm vị trí giao thoa giữa quá trình luyện kim cơ học và quá trình sản xuất. Quá trình này dựa trên tính chất cắt của kim loại và hành vi biến dạng của chúng dưới tốc độ biến dạng cao, khiến nó trở thành ứng dụng thực tế của các nguyên lý dẻo kim loại lý thuyết.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, quá trình cắt bao gồm biến dạng dẻo cục bộ theo sau là sự lan truyền gãy qua độ dày vật liệu. Khi đầu đục tiếp xúc với tấm kim loại, nó tạo ra một vùng nén chuyển thành biến dạng cắt khi đầu đục thâm nhập sâu hơn. Hành động cắt này khiến các vị trí lệch di chuyển dọc theo các mặt trượt trong cấu trúc tinh thể.

Vật liệu trải qua bốn giai đoạn riêng biệt trong quá trình dập: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, bắt đầu gãy và lan truyền gãy. Gãy bắt đầu ở các cạnh cắt của khuôn và đột dập, tạo ra một hình dạng cạnh cắt đặc trưng với các vùng riêng biệt.

Phản ứng vi cấu trúc thay đổi tùy theo đặc tính vật liệu, đặc biệt là kích thước hạt, hướng và phân bố. Vật liệu hạt mịn thường tạo ra các cạnh cắt sạch hơn, trong khi cấu trúc hạt thô có thể biểu hiện bề mặt gãy không đều hơn.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính cho việc làm trống là lý thuyết định vị dải cắt, mô tả cách biến dạng tập trung trong các dải hẹp trong các quá trình có tốc độ biến dạng cao. Mô hình này được phát triển vào giữa thế kỷ 20 và được tinh chỉnh thông qua phân tích phần tử hữu hạn trong những thập kỷ gần đây.

Theo truyền thống, hiểu biết về sự làm trống phát triển từ các quan sát thực nghiệm thành các mô hình phân tích. Các công trình ban đầu của các nhà nghiên cứu như Sachs và Keller vào những năm 1940 đã thiết lập mối quan hệ giữa các đặc tính vật liệu và lực làm trống. Sau đó, các nhà nghiên cứu như Atkins đã phát triển các mô hình tinh vi hơn kết hợp cơ học gãy.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm các mô hình phần tử hữu hạn đàn hồi-dẻo mô phỏng toàn bộ quá trình tạo phôi, các mô hình dẻo biến dạng theo građien biến dạng có tính đến các hiệu ứng về kích thước và các mô hình dẻo tinh thể kết hợp các cơ chế biến dạng ở cấp độ hạt.

Cơ sở khoa học vật liệu

Hành vi làm trống liên quan trực tiếp đến cấu trúc tinh thể, với kim loại lập phương tâm khối (BCC) và kim loại lập phương tâm mặt (FCC) thể hiện các đặc tính cắt khác nhau. Kim loại BCC như thép cacbon thấp thường cho thấy vùng cắt rõ rệt hơn so với kim loại FCC như nhôm.

Các ranh giới hạt ảnh hưởng đáng kể đến quá trình làm trống bằng cách hoạt động như rào cản đối với chuyển động trật khớp. Chúng có thể tăng cường vật liệu (hiệu ứng Hall-Petch) hoặc đóng vai trò là điểm bắt đầu nứt tùy thuộc vào đặc tính và sự phân bố của chúng.

Các nguyên tắc khoa học vật liệu cơ bản chi phối quá trình dập bao gồm quá trình làm cứng biến dạng, độ nhạy tốc độ biến dạng và cơ chế gãy dẻo. Các nguyên tắc này giải thích tại sao các vật liệu có cấu trúc vi mô khác nhau lại thể hiện các đặc tính dập khác nhau ngay cả khi có thành phần hóa học giống hệt nhau.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Công thức cơ bản để tính lực chặn là:

$$F = L \times t \times \tau_s$$

Ở đâu:
- $F$ = lực chặn (N)
- $L$ = chiều dài chu vi của phôi (mm)
- $t$ = độ dày vật liệu (mm)
- $\tau_s$ = cường độ cắt cực đại của vật liệu (MPa)

Công thức tính toán liên quan

Độ bền cắt cực đại có thể được ước tính gần đúng từ độ bền kéo bằng cách sử dụng:

$$\tau_s = 0,8 \lần \sigma_{UTS}$$

Ở đâu:
- $\tau_s$ = sức bền cắt cực đại (MPa)
- $\sigma_{UTS}$ = độ bền kéo cực đại (MPa)

Khoảng cách giữa chày và khuôn có thể được tính như sau:

$$c = k \times t \times \sqrt{\frac{\tau_s}{100}} $$

Ở đâu:
- $c$ = khoảng hở mỗi bên (mm)
- $k$ = hệ số vật liệu (thường là 0,005-0,035)
- $t$ = độ dày vật liệu (mm)
- $\tau_s$ = sức bền cắt cực đại (MPa)

Các công thức này được áp dụng trong thiết kế khuôn, lựa chọn máy ép và tối ưu hóa thông số quy trình cho các hoạt động dập công nghiệp.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định vật liệu đồng nhất, đẳng hướng với độ dày đồng đều và tính chất cơ học nhất quán. Chúng trở nên kém chính xác hơn đối với vật liệu dị hướng hoặc vật liệu có độ dày thay đổi đáng kể.

Các mô hình có điều kiện biên liên quan đến tỷ lệ độ dày vật liệu trên đường kính, hầu hết đều hợp lệ đối với tỷ lệ từ 0,3 đến 3,0. Ngoài các giới hạn này, cần phải xem xét các yếu tố bổ sung.

Các phép tính này giả định điều kiện nhiệt độ phòng và tỷ lệ tải tĩnh gần đúng. Đối với các hoạt động làm trống tốc độ cao hoặc nhiệt độ cao, độ nhạy tỷ lệ biến dạng và hiệu ứng làm mềm nhiệt phải được kết hợp.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E643: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn về biến dạng đột bi của vật liệu tấm kim loại, bao gồm việc đánh giá các đặc tính đột dập thông qua các thử nghiệm đột dập mô phỏng.

ISO 12004: Vật liệu kim loại - Tấm và dải - Xác định đường cong giới hạn tạo hình, cung cấp các phương pháp đánh giá khả năng tạo hình của vật liệu liên quan đến hoạt động dập phôi.

DIN 50606: Thử nghiệm vật liệu kim loại - Thử cắt, nêu chi tiết các quy trình đo các đặc tính cắt quan trọng đối với hiệu suất cắt.

JISZ2241: Phương pháp thử cắt cho vật liệu kim loại, chỉ định các tiêu chuẩn của Nhật Bản về thử cắt áp dụng cho đánh giá quy trình dập phôi.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy thử nghiệm vạn năng được trang bị đồ gá cắt chuyên dụng thường được sử dụng để đo các đặc tính cắt của vật liệu. Các máy này áp dụng chuyển dịch có kiểm soát trong khi đo phản ứng lực.

Kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để kiểm tra chất lượng cạnh cắt và đo các vùng riêng biệt được tạo ra trong quá trình làm trống. Các kỹ thuật này hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ ánh sáng và tương tác electron với bề mặt.

Camera tốc độ cao kết hợp với hệ thống tương quan hình ảnh kỹ thuật số cho phép quan sát thời gian thực các quá trình biến dạng và gãy trong quá trình dập, dựa trên nguyên tắc theo dõi các mẫu bề mặt trong quá trình biến dạng.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu chuẩn thường bao gồm các mẫu tấm hình chữ nhật có kích thước 100mm × 100mm, mặc dù kích thước thay đổi tùy theo phương pháp thử nghiệm cụ thể và độ dày vật liệu.

Các yêu cầu chuẩn bị bề mặt bao gồm tẩy dầu mỡ, loại bỏ lớp vảy hoặc lớp oxit và đôi khi đánh bóng để đảm bảo điều kiện tiếp xúc đồng nhất giữa vật liệu và dụng cụ.

Mẫu vật phải không có khuyết tật ở cạnh, có độ dày đồng đều (thường là dung sai ±2%) và thể hiện vật liệu sản xuất thực tế về thành phần, cấu trúc vi mô và lịch sử xử lý.

Thông số thử nghiệm

Các thử nghiệm tiêu chuẩn thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23±5°C) và điều kiện khí quyển bình thường, mặc dù các thử nghiệm chuyên biệt có thể đánh giá hiệu suất ở nhiệt độ cao.

Tốc độ tải cho các thử nghiệm bán tĩnh dao động từ 0,1 đến 10 mm/phút, trong khi các thử nghiệm động có thể sử dụng vận tốc đục lên tới vài mét/giây để mô phỏng các điều kiện sản xuất.

Các thông số quan trọng bao gồm khe hở khuôn (thường là 5-20% độ dày vật liệu), bán kính mũi đục và cạnh khuôn (0,01-0,1mm) và điều kiện bôi trơn (khô hoặc bôi trơn bằng dầu chuyên dụng).

Xử lý dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu chính bao gồm các đường cong lực-độ dịch chuyển được ghi lại trong quá trình xóa, với tốc độ lấy mẫu từ 100-1000 Hz cho các thử nghiệm tĩnh và lên đến 100 kHz cho các thử nghiệm động.

Các phương pháp thống kê bao gồm tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn từ nhiều thử nghiệm (thường là 3-5 lần lặp lại) và áp dụng thống kê Weibull để phân tích lỗi.

Các giá trị cuối cùng như lực phá hủy tối đa, hấp thụ năng lượng và điểm bắt đầu nứt được tính toán từ các đường cong lực-biến dạng bằng cách sử dụng các kỹ thuật phân tích tích phân số và đạo hàm.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (Độ hở % của độ dày)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (AISI 1008-1010)	4-8%	t=0.5-3mm, Nhiệt độ phòng	Tiêu chuẩn ASTM E643
Thép Cacbon Trung Bình (AISI 1040-1050)	6-10%	t=0.5-3mm, Nhiệt độ phòng	Tiêu chuẩn ASTM E643
Hợp kim thấp cường độ cao (HSLA)	8-12%	t=0.5-3mm, Nhiệt độ phòng	Tiêu chuẩn ISO 12004
Thép không gỉ (AISI 304)	10-15%	t=0.5-3mm, Nhiệt độ phòng	Tiêu chuẩn DIN50606

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu là do sự khác biệt trong xử lý nhiệt, kích thước hạt và các điều chỉnh thành phần nhỏ. Hàm lượng carbon cao hơn thường đòi hỏi giá trị độ thanh thải tăng lên.

Các giá trị này đóng vai trò là điểm khởi đầu cho thiết kế khuôn, với khoảng hở cuối cùng thường được xác định thông qua thử nghiệm lặp lại. Khoảng hở tối ưu giúp giảm thiểu sự hình thành gờ trong khi vẫn duy trì chất lượng cạnh chấp nhận được.

Một xu hướng chung cho thấy vật liệu có độ bền cao hơn đòi hỏi tỷ lệ phần trăm khe hở lớn hơn để đạt được các vết cắt sạch với độ mài mòn dụng cụ tối thiểu. Mẫu này phản ánh quá trình làm cứng gia tăng và độ dẻo giảm của thép có độ bền cao hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư tính toán lực cắt để lựa chọn công suất ép phù hợp, thường áp dụng hệ số an toàn từ 1,3-1,5 để tính đến các biến thể về tính chất vật liệu và tác động của mài mòn dụng cụ.

Lựa chọn khoảng hở khuôn cân bằng chất lượng cạnh với tuổi thọ của dụng cụ, với khoảng hở hẹp hơn tạo ra vết cắt sạch hơn nhưng làm tăng tốc độ mài mòn dụng cụ. Sự đánh đổi này đặc biệt quan trọng trong các tình huống sản xuất khối lượng lớn.

Quyết định lựa chọn vật liệu không chỉ xem xét các tính chất cơ học mà còn cả các đặc điểm vi cấu trúc, trong đó vật liệu đồng nhất, hạt mịn thường được ưu tiên cho các ứng dụng cắt chính xác.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Ngành công nghiệp ô tô sử dụng rộng rãi phương pháp dập để sản xuất tấm thân xe, các thành phần cấu trúc và giá đỡ. Các ứng dụng này đòi hỏi độ chính xác về kích thước và chất lượng cạnh cao trong khi vẫn duy trì tốc độ sản xuất cao.

Sản xuất điện tử là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác, nơi mà việc cắt bỏ tạo ra các đầu cuối, đầu nối và tấm chắn. Các thành phần này đòi hỏi dung sai cực kỳ chặt chẽ và các cạnh không có gờ để đảm bảo tiếp xúc điện thích hợp.

Sản xuất thiết bị sử dụng phương pháp dập để tạo ra các thành phần cấu trúc bên trong, bảng điều khiển và các yếu tố trang trí. Các ứng dụng này thường cân bằng các yêu cầu về thẩm mỹ với hiệu suất cấu trúc.

Đánh đổi hiệu suất

Tốc độ cắt phôi trái ngược trực tiếp với chất lượng cạnh, vì tốc độ sản xuất cao hơn thường tạo ra nhiều nhiệt hơn và làm tăng khả năng xảy ra lỗi cạnh. Mối quan hệ này đòi hỏi phải tối ưu hóa quy trình cẩn thận.

Khả năng về độ dày vật liệu phụ thuộc vào độ chính xác về kích thước, vì vật liệu dày hơn đòi hỏi khoảng hở lớn hơn và thường biểu hiện vùng biến dạng cạnh rõ rệt hơn.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này thông qua thiết kế khuôn mẫu cẩn thận, lựa chọn vật liệu và tối ưu hóa thông số quy trình, thường sử dụng các công cụ mô phỏng để dự đoán kết quả trước khi triển khai thực tế.

Phân tích lỗi

Nứt cạnh là một chế độ hỏng hóc phổ biến ở các bộ phận phôi, đặc biệt là khi khoảng hở không đủ khiến các vùng gãy đối diện giao nhau không đúng cách. Sự hỏng hóc này tiến triển từ các vết nứt cực nhỏ đến sự tách rời hoàn toàn của bộ phận trong các hoạt động tạo hình tiếp theo.

Sự hình thành gờ quá mức xảy ra khi khoảng hở quá lớn hoặc dụng cụ bị mòn, tạo ra sự tập trung ứng suất có thể gây ra hỏng hóc do mỏi trong quá trình sử dụng. Cơ chế này bao gồm cắt không hoàn toàn sau đó là rách vật liệu.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm bảo trì dụng cụ thường xuyên, lựa chọn khoảng cách thích hợp và trong một số trường hợp, các hoạt động thứ cấp như loại bỏ bavia hoặc xử lý cạnh để loại bỏ các vị trí có khả năng gây hỏng hóc.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất cắt phôi, hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ bền nhưng lại làm giảm độ dẻo, thường đòi hỏi khe hở khuôn lớn hơn và lực cắt phôi cao hơn.

Các nguyên tố vi lượng như lưu huỳnh và phốt pho có thể cải thiện khả năng gia công nhưng có thể tạo ra các đặc tính phôi dị hướng và làm tăng độ không đồng đều ở cạnh do ảnh hưởng của chúng đến quá trình hình thành tạp chất.

Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc cân bằng các yêu cầu về độ bền với hiệu suất cắt, đôi khi kết hợp các nguyên tố hợp kim vi mô như niobi hoặc vanadi để đạt được cấu trúc hạt mịn mà không có độ cứng quá mức.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn thường cải thiện hiệu suất cắt phôi bằng cách cung cấp biến dạng đồng đều hơn và bề mặt gãy sạch hơn. Kích thước hạt tối ưu thường nằm trong khoảng từ ASTM 7-10 cho hầu hết các ứng dụng cắt phôi thép.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng phôi, với các cấu trúc pha đơn đồng nhất thường hoạt động tốt hơn vật liệu pha đa. Tuy nhiên, thép pha kép có thể cung cấp sự kết hợp có lợi giữa độ bền và khả năng tạo hình.

Các tạp chất phi kim loại đóng vai trò là chất tập trung ứng suất trong quá trình cắt phôi, có khả năng gây ra gãy sớm hoặc gây mòn dụng cụ. Kích thước, hình dạng và sự phân bố của chúng phải được kiểm soát cẩn thận, đặc biệt là đối với các ứng dụng chính xác.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt tác động trực tiếp đến hiệu suất cắt phôi bằng cách thay đổi độ bền, độ cứng và độ dẻo. Vật liệu ủ thường tạo ra các cạnh cắt sạch hơn nhưng đòi hỏi lực cắt phôi cao hơn so với điều kiện chuẩn hóa hoặc tôi luyện.

Cán nguội tạo ra tính dị hướng có thể gây ra sự thay đổi trong hiệu suất cắt phôi tùy thuộc vào hướng so với hướng cán. Hiệu ứng này trở nên rõ rệt hơn khi tỷ lệ giảm tăng.

Tốc độ làm mát trong quá trình sản xuất ảnh hưởng đến kích thước hạt và sự phân bố pha, trong đó làm mát nhanh hơn thường tạo ra các cấu trúc vi mô mịn hơn giúp cải thiện hiệu suất dập nhưng có thể làm tăng lực dập cần thiết.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ cao làm giảm độ bền kéo và tăng độ dẻo, thường cải thiện chất lượng phôi nhưng có khả năng làm tăng sự hình thành gờ. Hiệu ứng này trở nên đáng kể ở nhiệt độ trên khoảng 200°C đối với hầu hết các loại thép.

Môi trường ăn mòn có thể làm hỏng cả bề mặt phôi và dụng cụ, dẫn đến hiệu suất cắt không đồng đều và tốc độ mài mòn dụng cụ tăng nhanh. Lựa chọn vật liệu và xử lý bề mặt phù hợp có thể giảm thiểu những tác động này.

Việc lưu trữ vật liệu tấm trong thời gian dài có thể dẫn đến hiện tượng lão hóa, đặc biệt là đối với thép có hàm lượng carbon thấp, có khả năng làm thay đổi đặc tính phôi thông qua cơ chế lão hóa ứng suất làm tăng giới hạn chảy và giảm độ dẻo.

Phương pháp cải tiến

Việc tinh chế hạt thông qua quá trình cán và làm mát có kiểm soát là một phương pháp luyện kim hiệu quả để nâng cao hiệu suất cắt bằng cách cải thiện chất lượng cạnh và giảm khe hở cần thiết.

Các quy trình cắt cạnh mịn kết hợp thêm lực hạn chế và hình dạng dụng cụ được sửa đổi để đạt được chất lượng cạnh vượt trội, loại bỏ nhu cầu thực hiện các thao tác thứ cấp trong các ứng dụng chính xác.

Việc tối ưu hóa thiết kế thông qua mô phỏng máy tính cho phép các kỹ sư dự đoán kết quả dập và tối ưu hóa các thông số trước khi triển khai thực tế, giúp giảm đáng kể thời gian phát triển và lãng phí vật liệu.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Đục lỗ là một quá trình tương tự, trong đó phần bị loại bỏ được coi là phế liệu, trong khi trong quá trình đột dập, phần bị loại bỏ là phần mong muốn. Cả hai quá trình đều sử dụng cùng một nguyên lý cơ học nhưng khác nhau về bối cảnh ứng dụng.

Cắt xén mô tả phạm trù rộng hơn của các hoạt động cắt tách vật liệu thông qua các lực đối lập, bao gồm cắt phôi, đục lỗ, cắt tỉa và khía. Các quy trình này chia sẻ các cơ chế biến dạng cơ bản.

Dập cạnh mịn (còn gọi là dập mịn) là một biến thể nâng cao tạo ra các chi tiết có cạnh cắt hoàn toàn bằng cách áp dụng lực nén bổ sung trong quá trình cắt, loại bỏ các vùng gãy.

Tiêu chuẩn chính

ISO 16630:2017 "Vật liệu kim loại - Tấm và dải - Thử độ giãn nở lỗ" cung cấp các phương pháp chuẩn hóa để đánh giá độ co giãn của cạnh sau khi cắt phôi, rất quan trọng để dự đoán hiệu suất trong các hoạt động tạo hình tiếp theo.

ASTM A1088 "Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thép, tấm, cán nguội, pha phức hợp (CP), pha kép (DP) và độ dẻo cảm ứng biến đổi (TRIP)" đề cập đến các loại thép cường độ cao tiên tiến thường được sử dụng trong các ứng dụng cắt phôi.

Các tiêu chuẩn khu vực như JIS G 3141 tại Nhật Bản và EN 10130 tại Châu Âu đưa ra các yêu cầu cụ thể đối với các tấm thép cán nguội dùng cho ứng dụng cắt phôi, với các phương pháp thử nghiệm và thông số kỹ thuật về đặc tính khác nhau.

Xu hướng phát triển

Các kỹ thuật phân tích đặc tính vật liệu tiên tiến, bao gồm quan sát SEM tại chỗ và tương quan hình ảnh kỹ thuật số, đang cho phép hiểu sâu hơn về quá trình tiến hóa vi cấu trúc trong quá trình làm trống, dẫn đến các mô hình dự đoán chính xác hơn.

Các công nghệ mô phỏng kết hợp các mô hình vật liệu dựa trên cấu trúc vi mô đang nổi lên như những công cụ mạnh mẽ để tối ưu hóa quy trình dập, cho phép thử nghiệm ảo các vật liệu và thông số quy trình trước khi triển khai thực tế.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ tập trung vào các quy trình dập chuyên dụng cho các vật liệu tiên tiến như thép cường độ cực cao, vật liệu composite kim loại-polyme và các thành phần được sản xuất bằng công nghệ bồi đắp, đòi hỏi phải có khuôn khổ lý thuyết và phương pháp xử lý mới.